ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΑΘΑΝΑΣΟΥΛΑΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Α.Μ.: ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΙΧΑΛΗΣ ΠΑΠΟΥΤΣΙΔΑΚΗΣ. Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών. Τμήμα Αυτοματισμού

Transcript

1 Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Αυτοματισμού Πτυχιακή εργασία Θέμα : Σύστημα συναγερμού-εντοπισμού-ελέγχου οχήματος με κύκλωμα 3G,GSM & GPS ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΙΧΑΛΗΣ ΠΑΠΟΥΤΣΙΔΑΚΗΣ ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΑΘΑΝΑΣΟΥΛΑΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Α.Μ.: ΑΙΓΑΛΕΩ, ΜΑΙΟΣ 2013

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΆΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΉ ΣΤΑ ΣΥΣΤΉΜΑΤΑ ΤΗΛΕΜΕΤΡΙΑΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 1.1 Συναγερμοί αυτοκινi1των και απομακρυσμ ένος έλεyχος τους Συναγ ε ρμό ς GSM GPRS / 3G GPS 1.2 Επεξήγηση πτυχιακής εργασίας και των εφαρμογών της ΚΕΦΑΛΑ102 ΚΑΤΑΣΚΕΥΉ 2.1 Arduino UNO Reν Ιστορία Η πλακέτα Arduino Ε ίσο δο ι - έξοδο ι Τροφο δοσία Ενσωματωμ ένα κουμπιά LED Το περιβάλλον Arduino IDE Οθ όνη LCD Μπαταρίες Γλώσσα προγραμματισμού 2

3 2.2 Αισθητήρες Εισαγωγή Είδη αισθητηρίων συναγερμού οχήματος & ολοκληρωμένων λύσεων Σύνδεση Υπερήχων για παρκάρισμα με Arduino Πρωτόκολλα επικοινωνίας 2.3 Telit GM862-GPS/GSM/GPRS Modem Εισαγωγή Τεχνικά χαρακτηριστικά 2.6 Πλακέτα PCB πτυχιακής εργασίας 2. 7 Σενάριο λειτουργίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ3 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ARDUINO 3.1 Αλγόριθμος κυρίου μέρους Δήλωση μεταβλητών Κυρίως πρόγραμμα ΚΕΦΑΛΑ Βιβλιογραφία 3

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΥ & ΕΛΕΓΧΟΥ ΟΧΗΜΆΤΩΝ 1.1 Συναγερμοί αυτοκινi1των και απομακρυσμένος έλεγχος τους Συναγερμός Συναγερμός οχήματος ονομάζεται η ειδική ηλεκτρονική συσκευή που εγκαθίσταται σε ένα όχημα και που, μέσω διάταξης αισθητήρων και άλλων μέσων, ενεργοποιείται από προσπάθεια παραβίασης. Όταν παραβιάζεται το όχημα, οι συναγερμοί οχημάτων ειδοποιούν με τους εξής τρόπους ή συνδυασμούς αυτών: εκπομπή ήχου υψηλής συχνότητας (συνήθως μια σειρήνα, κόρνα), ηχογραφημένη εκ των προτέρων λεκτική προειδοποίηση, ρυθμική λειτουργία φώτων, ηλεκτρονικό σήμα ασύρματης τηλε-ειδοποίησης. Εκτός της ειδοποίησης, ο συναγερμός μπορεί να ακινητοποιήσει το όχημα (λειτουργία immobilizer). Στους σύγχρονους συναγερμούς, καρδιά της μονάδας είναι ένας μικροελεγκτής με κατάλληλο λογισμικό, το οποίο προσπαθεί να καλύψει όσο γίνεται περισσότερα σενάρια προβλημάτων. Οι συναγερμοί αυτοκινήτων μπορούν να σχεδιαστούν για να ενεργοποιηθούν από: δονήσεις κλίση του οχήματος (για να αποτρέψουν την αναρμόδια ρυμούλκηση) άνοιγμα ή το κλείσιμο των ειδικών διακοπτών (πχ επαφές πορτών) μικρές αλλά γρήγορες αλλαγές στην τάση μπαταρίας ή το κύκλωμα ανάφλεξης αισθητήρες ανίχνευσης παρουσίας όπως οι αισθητήρες υπερήχων, υπέρυθρων ακτίνων ή μικροκυμάτων. Υπερβολικά δυνατός θόρυβος κοντά στο. όχημα 4

5 ,, GSM 1'1 GSM : Global System for Mobίle communίcatίons (Παγκόσμιο Σύστημα Κινητών Επικοινωνιών) Κοινό Ευρωπαϊκό ψηφιακό σύστημα κινητή ς τηλε φωνίας. Το Ευρ ωπαϊκό Τηλεπικοινωνιακό Συμβούλιο (European Telecommunications Standards lnstitute) το 1982, άρχισε την μελέτη για την δημιουργία ενός κοινού Ευρωπαϊκού ψηφιακού συστήματος κινητή ς τη λεφωνία ς δεύτε ρη ς γ ενιάς (2G). Αυτό το σύστημα ονομάστηκε αρχικά Group Special Mobile (GSM). Το GSM είναι ένα κυψελο ε ιδ ές ψηφιακό σύστημα κινητή ς τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G), το οποίο χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικά σήματα και την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαχωρισμό του διαθέσιμου φάσματο ς συχνοτήτων σε έ να αριθμό καναλιών και την διαίρ εση αυτών σε χρονοθυρίδε ς για την μετάδοση σημάτων. Το 1989 η ευθύνη του GSM ανατέθη κε στο Ευρωπαϊκό Τηλεπικοινωνιακό Ινστιτούτο Προτύπων (ETSI) και το 1990 ανακοινώθηκαν επίσημα για πρώτη φορά το πρότυπο και τα χαρακτηριστικά του GSM. Το 1991 άρχισ ε η ε μπορική του διάθ εση στην Ευρώπη, ενώ στην Ελλάδα το σύστημα χρησιμοποιήθηκε το 1993 από την WIND Hellas (πρώην ΤΙΜ ή πρώην TELESTET). Το πρότυπο GSM δεν είναι μόνο Ευρωπαϊκό πρότυπο, αφού υιοθετήθηκε από πολλές άλλες χώρες των άλλων Ηπείρων, εκμεταλλευόμενο διάφορες ζώνες συχνοτήτων. Υπηρεσίες όπως κλήση, λήψη κλήσεως, αποστολή και λήψη sms, αποστολή και λήψη mms, ε κτροπή κλήσεων, φραγή κλήσεων, απόκρυψη κλήσεων, αναμονή και κράτηση κλήσεων, τη λεδιάσκεψη, λειτουργούν χάρη στις τεχνικό υπόβαθρο ενός δικτύου GSM GPRS / 3G Η δεύτερη γενιά κυψελλωτών (cellular) τηλεπικοινωνιακών δικύων, πρωτοεμφανίστηκε εμπορικά, κάτω από το GSM Standard, το Τρία κύρια πλεον εκτήματα των δικτύων 2ης γ ενιά ς (2G) σε σύγκριση με τους "προκατόχους" τους, ήταν: Ψηφιακά κρυπτογραφημένες τηλεφωνικές συνομιλίες Πολύ μεγαλύτερη αποτ ελεσματικότητα στο φάσμα συχνοτήτων Υπηρεσίε ς Διαχείρισης δ εδομένων όπως τα SMS Μετά την έναρξη λειτουργίας των δικτύων 2G, όλα τα προγούμενα τηλεφωνικά συστήματα κινητής τηλεφωνίας, χαρακτηρίστικαν ως lg. Ενώ τα ραδιο-σήματα στα δίκτυα l G είναι αναλογικά, τα αντίστοιχα των δικτύων 2G είναι ψηφιακά. Και τα δύο συστήματα χρησιμοποιούν ψηφιακή σηματοδοσία για σύνδεση με τους ραδιοφάρου ς (που λαμβάνουν τα σήματα των κινητών συσκευών), μέσω των οποίων μεταφέρονται στο υπόλοιπο τηλεφωνικό σύστημα. Το σύστημα 2G, έδωσ ε μ ε τη σειρά τη θέση του σε νεώτερες τεχνολογίες (με πολύ μεγαλύτερο broadband και ειδικούς αλγορίθμους που επιτρέπουν ολοκλήρωση υπηρεσιών όπως μεταφορά μεγάλων αρχείων πολυμέσων, τηλεοπτικών σημάτων κ.α.) που χαρακτηρίστηκαν αντίστοιχα ως2.5g, 2.75G, 3G, και 4G. Παρά την ραγδαία εξ έλιξη, δίκτυα 2G βρίσκονται ακόμη σε χρήση σε πολλές χώρες της γης, ανάμεσα στις οποίες και η Ελλάδα. HSDPA : High-Speed Downlink Packet Access (Πρόσβαση υψηλής ταχύτητας λήψης πακέτων) Πρόκειται για πρωτόκο λλο τηλεπικοινωνιών κινητής τηλεφωνίας, επιπέδου εξελιγμένου 3G (τρίτη ς γε νιά ς), που ανήκει στην οικογένεια των πρωτοκόλλων High Speed Packet Access (HSPA - χρησιμοποιούνται επίσης στα δίκτυα 3.5G, 3G+ or turbo 3G) και το οποίο επιτρ έπει σ ε δίκτυα βασισμένα στο Uniνersal Mobile 5

6 Te l e co mmιιni ca ti o n s System (UMTS), να επιτυγχάνουν υ ψηλότερες ταχύτητες αλλά κα ι χωρητικότητες μετ άδ οση ς δ εδ ο μένων. Οι υπάρχουσες δ ιαμορφώσ ε ις HSDPA, υποστη ρ ίζουν ταχύτη τ ε ς λήψη ς of 1.8, 3.6, 7.2 and 14.4 Megabit / ec. Π ερα ιτέ ρω αύξηση ταχύ τ-ητα ς ε ίναι δ ιαθ έσ ιμη με τη χρήση Η Ρ Α +, που υποστη ρίζε ι τ αχύ τητες λήψης έ ως και 42 Mbit/s και έως 84 Mbit/s με την έ κδοση 9 των 3GPP standards GPS Το GPS (Global Positioning System), Παγκόσμιο Σύστημα Θ εσιθεσίας ε ίνα ι παγκό σμιο σύστημα ε ντοπ ισ μού θ έση ς, το οποίο βασ ίζεται σ ε ένα "πλέγ μα" ε ικοσιτ εσσάρων δορυφόρων τη ς Γης, στου ς οποίου ς υπάρχουν ε ιδικές συσκευ έ ς, οι οποίε ς ονομάζονται "δ έκτ ε ς GPS". Οι δέκτες αυτοί παρέχουν ακριβείς πληροφορίε ς για τη θέση ενός σημείου, το υψόμετρό του, την ταχύτητα και την κατεύθυνση της κίνησης του. Επίσης, σ ε συνδυασμό μ ε ε ιδικό λογισμικό χαρτογράφηση ς μπορούν να απεικονίσουν γραφικά τις πληροφορίες αυτές. ένα Το σύστημα ξεκίνησε από το Υπουργε ίο Άμυνας των ΗΠΑ και ονομάστη κε "ΝΑ VST AR GPS" (Navigation Signal Τίmίιιg aιιd Raιιging Global Positioning System). Το δορυφορικό αυτό σύστημα ρυθμίζεται καθημερινά από τη Βάση Πολεμικής Α ε ροπορίας Σρίβ ε ρ (Schrieνer) με κόστο ς 400 εκατομμύρια δολάρια το χρόνο. Το παρελθόν Τα σημ ε ία του ορίζοντα, 11 ακόμη και τα αστέρια, χρησιμοποιούνταν από την αρχαιότητα για τον προσανατολισμό των ανθρώπων. Ένα σταθερό άστρο στον ουρανό, με γνωστή γεωγραφική θέση ως προς το σημείο παρατήρησης, αποτελούσε σημείο αναφοράς και βοηθούσε τους ανθρώπους στο να βρουν τη σωστή πορεία τους. Στον προσανατολισμό συνέβαλαν αργότ ε ρα και άλλα μέσα, όπως η πυξίδα και ο ε ξάντας. Ωστόσο ο εξάντας είναι εύχρηστος μόνο για τον προσδιορισμό του γεωγραφικού πλάτους, ενώ η χρήση του για τον προσδιορισμό του γ ε ωγραφικού μήκου ς ε ίναι δύσκολη και εξαιρ ετικά σύνθ ετη, πράγμα που αποτελε ί ένα σημαντικό μειονέ κτημα για προσδιορισμό του στίγματος στην θάλασσα. Ω ς αποτ έλεσμα, τον 1 Ίο αιώνα, το Ηνωμένο Βασίλειο συνέστησε ένα συμβούλιο επιστημόνων, το οποίο θα επιβράβευε χρηματικά όποιον θα μπορούσε να εφεύρει ένα όργανο, το οποίο θα επέτρεπε τον ακριβή υπολογισμό και των δύο γεωγραφικών συντεταγμένων, δηλαδή μήκους και πλάτους. Το 1761, ο Άγγλος ωρολογοποιός Τζον Χάρισσον (John Harrison), ύστερα από προσπάθ ε ιες δώδ εκα ετών, κατασκ εύασ ε ένα όργανο, το οποίο δεν ήταν άλλο από το γνωστό σημε ρινό χρονόμετρο. Σε συνδυασμό μ ε τον εξάντα, το χρονόμετρο επ έτρ επ ε τον υπολογισμό του στίγματο ς των πλοίων με εξαιρετική ακρίβεια (για τα δεδομένα της εποχής). Πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι να δημιουργηθούν τα πρώτα συστήματα εντοπισμού θέσης που βασίζονταν σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ραντάρ, στα μ έσα του 20ού αιώνα. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν ευρύτατα κατά τη διάρκε ια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου (και χρησιμοποιούνται ακόμη). Τα συστήματα εντοπισμού θέση ς της εποχής αποτελούνταν από ένα δίκτυο σταθμών βάσης και κατάλλη λους δ έκτ ες. 6

7 Ανάλογα με την ισχύ του σήματος που λάμβανε κάθε δέκτης από σταθμούς γνωστής γεωγραφικής θ έ ση ς, σχηματίζονταν δύο 1Ί πε ρισσότ ε ρ ε ς συντ εταγμένε ς, μέσω των οποίων προσδιοριζόταν η θέση των σημείων ενδιαφέροντος επάνω σε ένα χάρτη. Στην περίπτωση αυτή, όμως, συνέβαιναν υπήρχαν δύο διαφορετικά προβλήματα: Στην πρώτη περίπτωση η χρήση σταθμών βάση ς, που θα εξέπ ε μπαν σήμα σε υψηλή συχνότητα, δ ι έ θ εταν μενυψη λ1ί ακρίβ - ια εντοπισμού, αλλά ε ίχαν μικρ11 - μβ - λε ια. Στη δεύτ ερη περίπτωση συνέ βαινε το ακριβώς αντίθετο, δηλαδή ο σταθμός βάσης χρησιμοποιούσε μεν χαμηλή συχνότητα εκπομπής σήματος, προσφέροντας έτσι υψηλότερη εμβέλεια, αλλά και η ακρίβεια που παρείχε ήταν χαμηλή. Έστω και με αυτά τα προβλήματα, η αρχή της χρήσης ραδιοκυμάτων για τον εντοπισμό της θέσης ενός σημείου είχε ήδη γίνει. Το Global Positioning System στη σημερινή του μορφή βασίζεται σε παρεμφερή τεχνολογία. Συνδυάζει όλες τις μεθόδους που είχαν χρησιμοποιηθ ε ί στον ουρανό, δηλαδή την τ εχνολογία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καθώς και την παρατήρηση ενός -τεχνητού αυτή τη φορά- ουράνιου σώματος. Οι σταθμοί βάσης που λαμβάνουν και δέχονται τα απαραίτητα ηλεκτρομαγνητικά κ:ύματα δεν είναι πλέον επίγειοι, αλλά εδρεύουν σε δορυφόρους. Ένα δίκτυο πολυάριθμων (24-32) δορυφόρων που βρίσκεται σε σταθερή θέση γύρω από τον πλανήτη μας, βοηθά τους δέκτες GPS να παρέξουν το ακριβές στίγμα ενός σημείου οπουδήποτε στον κόσμο. Όταν, το 1957, πραγματοποιήθηκε η εκτόξευση του δορυφόρου Σπούτνικ, οι άνθρωποι είχαν ήδη αντιληφθ ε ί ότι ένα τεχνητό ουράνιο σώμα κοντά στη Γη είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί για να εντοπιστεί η θέση ενός σημείου πάνω στον πλανήτη. Αμέσως μετά την εκτόξευσή του, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) διαπίστωσαν ότι το σήμα που λαμβανόταν από τον δορυφόρο αυξανόταν καθώς αυτός πλησίαζε προς το επίγειο σημείο παρατήρησης και μειωνόταν όταν ο δορυφόρος απομακρυνόταν από αυτό. Αυτό ήταν και το πρώτο βήμα για την υλοποίηση της τεχνολογίας που σήμερα αποκαλείται Global Positioning System. Με τον ίδιο τρόπο που η θέση ενός δορυφόρου μπορούσε να εντοπιστεί ανάλογα με την ισχύ του σήματος που λαμβάνεται από αυτόν, υπήρχε και η δυνατότητα να συμβεί το ακριβώς αντίθετο: Ο δορυφόρος να εντοπίσει την ενός σημείου θέση με ιδιαίτερη ακρίβεια. Στην πραγματικότητα ένας δορυφόρος δεν είναι αρκετός για να υπάρξουν ακριβή αποτελέσματα, αλλά απαιτούνται τουλάχιστον τρεις, όπως θα δούμε στη συνέχεια. Το GPS αρχικά δημιουργήθηκε αποκλειστικά για στρατιωτική χρήση και ανήκε στη δικαιοδοσία του αμερικανικού Υπουργείου Εθνικής Άμυνας. Στα μέσα της δεκαετίας του 1960 το σύστημα δορυφορικής πλοήγησης, γνωστό τότε με την ονομασία Transit System, χρησιμοποιήθηκε ευρέως από το αμερικανικό ναυτικό. Απαιτήθηκαν αρκετές δεκαετίες, μέχρι δηλαδή τα μέσα της δεκαετίας του 1990, ώστε το σύστημα GPS να εξελιχθεί, να γίνει ιδιαίτερα ακριβές και να αρχίσει να διατίθεται για ελεύθερη χρήση από το ευρύ κοινό. 7

8 Λειτουργικά τμήματα Αναπαράσταση του αρχικού σχεδίου του συστήματος GPS, με 24 δορυφόρους GPS ( 4 δορυφόροι σ ε καθε μία από τις 6 τροχιές). Οι αριθμοί δ ε ίχνουν την εξέλιξη του αριθμού των ορατών δ ορυφόρων από έ να σημείο (45 Βόρε ια) που δε ίχνε ι το β έλο ς. Ο ρυθμό ς χρόνου της αναπαράστασης, είναι φορές ταχύτρος από τον πραγματικό ρυθμό χρόνου (κάθε μισό λεπτό αντιπροσωπ εύ ε ι 24 ώρ ες). Το σύ στημα εντοπ ισ μού θέ ση ς GPS σχηματίζε ι ένα παγκόσμιο δ ίκτυο, μ ε ε μβ έλε ια που καλύπτ ε ι ξηρά, θάλασσα και αέ ρα. Εξ αιτίας αυτή ς της έ κτασή ς του, ε ίνα ι απαραί ητ ς αχ - ρισ μό ς του σ ε επι ~ι έ ρου ς τ μή μα α όπου πραγ ματοπο ιούντα ι ' λες ο ι λε ιτουργ tε ς του αλλά κα ι ο συντο νισ μό ς τ ου. Αναλυτικά, τα η ι1ί ματα αυτά ε tνα ι : ι λ t θt pυφ p ί β p t ο ται ύψ μιλt Ο 00 λ ο μέτ ρ ) πάν ο από τη ν επ ιφάν ε ια της θάλασσας κα ι ε κτελού ν δύο π ε ριστ ρ οφ έ ς γύρω από τη Γη κάθ ε 4ωρο. Η ατά εύάστp ια τα ιρ ε ίά ίνα ι η R kw- 11 l n teιη at i o n a l, η ε ό e'υσ'ιl ου πραγ ματοποιήθη κε από το ακρ ωτήρ ιο C an aνe ra l, ενώ η τ ρ οφ οδοσία τυου ς με ηλε κ:τ ρικ11 ενέ ργ ε ια π ραγματ οπο ιε ίτ αι μ έσω τ ων ηλιακών στ οιχε ίων που διαθ έτουν. Επ ίγε ιο τ μi1μα ελέγχου : Οι δορυφόρο ι, όπω ς ε ίναι ανα μενόμ ε νο, ε ίνα ι πολύ πιθανό να αντιμετωπίσουν ανά πάσα στιγμ11 προβ λήματα στη σωστή λε ιτουργ ία του ς. Οι έλεγχοι που π ρ αγ ματοπο ιούνται σ ε αυτού ς αφορούν στ11 σω στή τ ου ς ταχύτητα και υψόμετρο και στην κατάσταση τη ς επάρκ ε ιάς του ς σε ηλ ε κτρ ι κ11 ενέ ργ ε ια. Παράλλη λα, φ α ρμό ζοντα ι ό λες ο ι διορθωτικέ ς ενέ ργε ιε ς π ου α φ ορού ν στο σύστημα χρ ονο μ έτρηση ς τω ν δο ρυφό ρ ων, ώστε να αποτρ έπ εται η παροχή λανθασμένων πληροφοριών στου ς χρήστες τ ου συστήματος. Το τμήμα επίγ ε ιου ελέγχου αποτ ελείται από ένα επανδρωμένο κα ι τέσσ ε ρ α μη επανδ ρωμέ να κέντ ρ α, εγκατ ε στημένα σ ε ισά ριθ μες πε ρ ιοχές του πλανήτη. 8

9 Ο ι π ε ριοχέ ς αυτές ε ίνα ι ο ι εξή ς: α) Κολο ρ άντο (ΗΠ Α) β) Χ αβ άη (Ανατολικό ς Ε ιρηνικό ς Ω κεανό ς) γ ) Ascension lsland (Ατλα ντικό ς Ω κεανό ς) δ ) Diego Oan:ia ( Ι νδ ι κό ς Ωκεανό ς ) ε ) Kwajalein (Δυτ ικό ς ιρη νι ό ς Ωκεανός) Ο κυριότ ε ρος σταθμό ς βάση ς ε ίναι αυτό ς του Κολοράντο, ο οποίος ε ίναι μάλιστα και ο μοναδικό ς που βρίσκετα ι στην ξηρά. Α ναλαμβ άνε ι τον έλεγχο τη ς σωστή ς λε ιτουργία ς των εναπομε ινάντων τ εσσάρων σταθμών, καθώς και τον συντονισμό τους. Σημειώνοντας τη θέση των σταθμών αυτών πάνω σ ε έναν παγκό σμιο χάρτη, παρατηρ ε ί καν ε ίς ότι η δ ιάταξή τους δ εν ε ίναι τυχαία, αλλά ακολουθούν μια γραμμή παράλλη λη μ ε τα γε ωγραφ ικά μήκη τη ς Γη ς. Το τμήμα τελικού χρi1στη: Απαρτίζεται από του ς χιλιάδ ε ς χρήστ ε ς δεκτών GPS ανά την υφήλιο. Οι δέκτε ς αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο κατά τη διάρκ ε ια μια ς απλής π εζοπορία ς, όσο και σ ε οχήματα ή θαλάσσια σκάφη και κατά κανόνα δ ιαθ έτουν αρκετά μικρ έ ς διαστάσ ε ις. Για να προσφ έρουν όσο το δυνατόν π ε ρισσότερες πληροφορίες, οι δ έ κτ ε ς συνδυάζονται με ε ιδικό λογισμικό, που προβάλλει ένα χάρτη στην οθόνη της συσκευi1 ς GPS. Πρό κε ιται, δηλαδή, γ ια λογισμικό που λαμβάν ε ι από του ς δορυφόρ ου ς τις πληροφορίες για το στίγμα τοv σημ ε ίου στο οποίο βρίσκεται ο δ έκτης και τις μετατρέπ ε ι σ ε κατανοητή «ανθρώπινη» μορφή, πληροφορώντα ς το χρήστη για την ακριβή γεωγραφική του θ έ ση. Φορη τές συσκευές GPS GPS συσκευή πλοήγηση ς Naνigon, σ ε ταμπλό αυτοκινήτου. Η μ εγάλη εξάπλωση τη ς χρήση ς του GPS οφ ε ίλεται και στη διάδοση των, οικονομικά προσιτών, φορητών δε κτών GPS γ ια π ε ζού ς ή οχ1ίματα και των γενικών υπολογιστικών συσκευών (όπως τα PDA) με ενσωματωμένο δ έ κτη GPS. Ένα ς φορητός δέκτης αποτ ελε ίται από: Την εσωτ ερική δορυφορική κεραία, η οποία λαμβάν ε ι το σήμα GPS από τους δορυφόρους με τους οποίους έχει οπτική επαφή. Επίσης, λαμβάνει σήμα και από ανακλάσ ε ις, π. χ. σε τοίχους, κάνοντας δυνατή τη λήψη σε δρόμους που π ε ριβάλλοντ α ι από πο λύ ψηλά κτήρια (στην καθιερωμένη αγγλόφωνη σχετική ορολογία, οι συνθήκε ς αυτές αποκαλούνται "urban canyon") ή ακόμη και σ ε κάπο ιου ς ε σωτ ε ρικού ς χώ ρ ου ς. Π άντω ς, αρκετοί δ έ κτ ε ς δ ιαθ έτ ουν υποδοχή 9

10 για εξωτ ε ρική κεραία. Οι εξωτε ρικές δορυφο ρικές κεραίες δ ιαθ έτουν πάντα προενισχυτή και δίνουν καλύτερη λήψη, λόγω τη ς δυνατότητας τοποθ έτησης πάνω από πιθανά εμπόδια (π.χ. στην οροφή του αυτοκινήτου) και της ενίσχυση ς που δ ιαθ έτουν (στις εσωτ ε ρικές κεραίες δ εν μπορ ε ί να χρη σ ιμοπο ιηθ ε ί επ ιπ λέο ν στάδ ιο προε ν ίσχυση ς, κα θ ώς αυτό θα οδη γ vσε σε ανεπιθύμητη ανάδραση, λόγω της γε ιτνίασης με το αναλογικό τμήμα του δέκτη). Τον κυρίως δέ κτη GPS ο οποίος χρησιμοποιε ί κυκλώματα εξαιρετικά χαμηλού θορύβου και ειδικές τεχνικέ ς επεξεργασίας σήματος ώστε να ξεχωρίζει τα εξαιρετικά ασθενή σήματα από τους δορυφόρους, από τον ισχυρό τηλεπικοινωνιακό θόρυβο ο οποίος έχει τη μορφή τυχαίου σήματος. Ο κυρίω ς δέκτη ς αποτελε ίτα ι από το αναλογικό τμήμα ε ισόδ ου και το ψηφιακό, το οποίο περιέχε ι σύνθ ετο ψηφιακό υλικό (hardware), συνήθω ς κάποιο εξειδικευμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα τύπου ASIC και μικροελεγκτή (microcontroller) χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Αυτό το hardware χρησιμοποιεί λογισμικό με πολύ εξελιγμένους αλγορίθμους επεξεργασίας, για να μπορέσει να εξάγει χρήσιμο στίγμα σε συνθήκες urban canyon ή δύσκολης λήψης εν γένει. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η ακρίβεια λήψης, λόγω των πολλαπλών σημάτων, τα οποία λαμβάνε ι η κ ε ραία από τον ίδιο δορυφόρο, με χρονική καθυστέρηση μεταξύ του ς (φαινόμενο ηχούς), μπορεί να υποβαθμίσ ε ι σημαντικά την ακρίβ ε ια θέσης. Το αποτέλεσμα εξαρτάται έντονα από την ποιότητα των αλγορίθμων και βελτιώνεται σημαντικά από την μία γενιά δεκτών στην επόμενη. Τuχuτηη~ Ο χιιuι 1:51rι Menu Ενδείξεις συσκευ1]ς πλοήγησης GPS Η τελική έξοδος του δέκτη είναι το στίγμα (θέση) του και η ακριβής παγκόσμια ώρα UMT. Αυτά τα δύο δεδομένα, μαζί με άλλες χρήσιμες πληροφορίες όπως ο αριθμός των λαμβανόμενων δορυφορικών σημάτων και η στάθμη τους, αποστέλλονται σε μια θύρα επικοινωνίας του δέκτη, συνήθως σειριακής μορφής, δηλαδή ασύγχρονη (UART) ή σύγχρονη (π.χ. SPI). Ο ρυθμός με τον οποίο βγαίνει 10

11 νέο στίγμα στην έξοδο του δέκτη είναι συνήθως 1 φορά το δευτερό λεπτο (δηλαδή 1 Hz), αν και υπάρχουν δέκτ ες που μπορούν να δίνουν στίγμα με ταχύτ ε ρους ρυθμού ς (π.χ. 1 Ο Hz). Σε συσκ ευ ές που λειτουργούν με μπαταρία, ο κυρίω ς δέκτης GPS δ ιαθέτε ι και καταστάσεις λε ιτουργία ς όπου ο ρυθμός αποστολής στίγματος μ ε ιώνετα ι σημαντικά, μ ε αποτέλεσμα την εξο ικονόμηση ισχύο ς. Τον κυρίως μικροελεγκτή, την οθόνη απεικόνισης (συνήθως υγρών κρυστάλλων) και το υπόλοιπο hardware επικοινωνία με το χρήστη τη ς συσκευής. Ο μικροελεγκτή ς αυτός, μέσω του ενσωματωμένου λογισμικού του, επεξεργάζεται το στίγμα που λαμβάνει από τον κυρίως δέκτη GPS, μ έσω της αντίστοιχης σ ε ιριακής του θύρας. Το αποτέλεσμα της επεξεργασίας είναι μια πιο κατανοητή για τον άνθρωπο μορφή του στίγματος, και συνήθως ε μφανίζεται σε οθόνη με δυνατότητες γραφικών, πάνω σ ε ψηφιακό χάρτη, μαζί με άλλες πληροφορίε ς όπως ώρα, υψόμετρο και ταχύτητα κίνησης. Η ακρίβεια του ενσωματωμένου χάρτη μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη, στα ακριβότερα μοντέλα, ενώ συχνά υπάρχει η δυνατότητα αναβάθμισης ή επαύξησής του μέσω σύνδεσης με προσωπικό υπολογιστή (PC). GPS δορυφορικ1) πλ01)γηση, σε smartphone, πάνω σε ποδ1)λατο. Οι ισχυροί μικροελεγκτές και η μεγάλη μνήμη των σύγχρονων φορητών δεκτών έχουν κάνει δυνατή την ύπαρξη διάφορων απλών και εξελιγμένων βοηθημάτων εύρεσης θ έσης και πλοήγησης. Π.χ. μπορούμε να βλέπουμε τη διαδρομή που έχουμε ήδη κάνει, να κάνουμε μεγέθυνση πάνω στο χάρτη ή να εισάγουμε προορισμό και ο δέκτης να βρίσκει τη βέλτιστη διαδρομή (λειτουργία πλοήγησης). Σχεδόν πάντα υπάρχει η δυνατότητα ορισμού σημείων στο χάρτη ως προτιμώμενων ή ακόμη και κατάλογο ς με σημεία ενδιαφέροντος, όπως πρατήρια βενζίνης, καταστήματα και αξιοθέατα. Στα μοντέλα για αυτοκίνητο συνήθως υπάρχε ι η δυνατότητα φωνητικών οδηγιών, κατά τη λε ιτουργία πλοήγησης, ώστε ο οδηγός να μη χρειάζεται να κυττά την οθόνη. Επίσης, κυκλώματα δεκτών GPS αρχίζουν να ενσωματώνονται και σ ε κινητά τηλέφωνα και άλλες συσκευές, όπως ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές. Στο κοντινό μέλλον οι φορητοί δέκτες GPS θα βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή και στα άτομα με αναπηρία, όπως οι τυφλοί, οι οποίοι έχουν την δυνατότητα να ζητούν προορισμό και να ακούν φωνητικές οδηγίες από το δέκτη GPS. 11

12 Σύστημα πλο1]γησης αυτοκινήτου Το σύστημα πλοήγησης οχημάτων βασίζεται στο σύστημα εντοπισμού θέσης GPS (Global Positioning System). Αποτελείται από ένα σύνολο συσκευών που, συνεργαζόμενες έχουν ως αποτέλεσμα την καθοδήγηση του οδηγού του οχήματος έτσι, ώστε, μέσω ηλεκτρονικού χάρτη καθοδήγηση ς να φτάσει στον προορισμό του. Το σύστημα αυτό βασίζεται σε ένα σύνολο δορυφόρων το οποίο, ως αρχικός οδηγός, δίνει πληροφορίες σε μια ηλεκτρονική συσκευή εγκατεστημένη στο όχημα και συνεργάζεται, με το κατάλληλο λογισμικό, με ενσωματωμένους ηλεκτρονικούς χάρτες, ώστε να μπορεί ο οδηγός να εντοπίζει σε αυτούς την θέση στην οποία βρίσκεται με το όχημά του. Τρόπος λειτουργίας του συστήματος πλοήγησης (GPS) Συνοπτικά, το GPS είναι ένα δορυφορικό σύστημα προσδιορισμού θέσης (3-Δ), χρόνου και ταχύτητας για ακίνητο και κινούμενο δέκτη σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα (από μερικά δευτερόλεπτα μέχρι λίγες ώρες ανάλογα με το είδος των εφαρμογών) παραβλέποντας κλασικές επίγειες τεχνικές που εφαρμόζονται όπως ο τριγωνισμός, ο τριπλευρισμός ή, συνήθως, ο συνδυασμός αυτών των δυο μεθόδων, που παρέχουν τις επιφανειακές ελλειψοειδείς συντεταγμένες και η υψομετρία, που παρέχει την τρίτη παράμετρο, το υψόμετρο. Βασίζεται στις αρχές λειτουργίας των παθητικών δορυφορικών συστημάτων και εξασφαλίζει συνεχή, παγκόσμια πλοήγηση ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες σε απεριόριστο αριθμό χρηστών. Η βασική αρχή στην οποία στηρίζεται είναι ο προσδιορισμός θέσης με την μέτρηση τεσσάρων «συντεταγμένων» μεταξύ του παρατηρητή και του δορυφόρου. Γι' αυτό η σχεδίαση των τροχιών των δορυφόρων έγινε με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι δυνατή η παρατήρηση τεσσάρων τουλάχιστον δορυφόρων από οποιοδήποτε σημείο της γης για κάθε στιγμή. Για τον προσδιορισμό της θέσης ενός σημείου στο χώρο αρκούν οι μετρήσεις των αποστάσεων από τρία σημεία γνωστών συντεταγμένων. Βέβαια, θα αρκούσαν και τρεις δορυφόροι για τον προσδιορισμό της θέσης ενός σημείου στο σύστημα αναφοράς των δορυφόρων. Ο λόγος που απαιτούνται τουλάχιστον τέσσερις δορυφόροι (αποστάσεις) είναι για να προσδιορίζεται η διαφορά ανάμεσα στην ένδειξη του χρονομέτρου του χρήστη και την ένδειξη του χρονομέτρου του δορυφόρου, δηλαδή η καθυστέρηση του χρονομέτρου του δέκτη σε σχέση με το χρόνο αναφοράς του GPS. Ακριβώς για αυτό το λόγο της ύπαρξης αυτού του σφάλματος χρησιμοποιείται ο όρος ψευδοαπόσταση. Ο χρόνος αναφοράς του GPS έχει ως σημείο έναρξης την UTC της 5ης Ιανουαρίου Η προσδιοριζόμενη θέση (Χ, Υ,Ζ) αναφέρεται στο Παγκόσμιο Γεωκεντρικό Σύστημα Αναφοράς 1984, γνωστό ως WGS 84. Το σήμα που εκπέμπει κάθε δορυφόρος είναι μοναδικό και εξαιρετικά σύνθετο και βασίζεται σε δυο φέρουσες συχνότητες στην περιοχή του φάσματος των μικροκυμάτων. ιι = Ι54χ 10.23= MHz& L2 = 120 χ = MHz, πολλαπλάσιες της βασικής συχνότητας των MHz. Γενικότερα, για την απαλοιφή συστηματικών σφαλμάτων, χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία πέραν των δύο συχνοτήτων διάφοροι γραμμικοί συνδυασμοί τους όπως η L3 για εξάλειψη του φαινομένου της ιονοσφαιρικής διάθλασης για καλύτερη απόδοση. 12

13 Το σήμα παράγ ετ αι απ ό τη ν σύ νθεση δυο κωδ ικών μοναδ ικών για κάθ ε δ ορυφόρ ο, του C/A (coar se/ acquίsiti o n) που προστίθ εται μόνον στον φορ έα (συχνότητα) L 1 και τ ου Ρ (α κ ρίβ ε ια, pr e ci s ίon), που δ ιαμορφών εται και στις δυο συχνότητες L 1, L2. Οι κώδικες καλούνται και ψευδοτυχαίοιεξαιτία ς του γ εγονότος ότι με τη βοήθ ε ια αυτών ε ίναι δυνατή η μέτρηση των ψευδοαποστάσεων που προαναφ έρθηκαν. Ο δέκτης (ή αλλιώς συσκευή πλοήγησης) δ έχεται το σήμα, συγκρίνει τον λαμβανόμε νο κώδικα με ένα αντίγραφο που παράγει ο ίδιος και, τ ελικά, ταυτίζει το σήμα και ο χρόνος διαδρομής του σήματος πολλαπλασιαζόμ ενος μ ε την ταχύτητα του φωτός c παρέχε ι την απόσταση μεταξύ δ έ κτη και δορυφόρου. Αυτή η απόσταση ε ίναι η ψευδοαπόσταση και δεν περιλαμβάν ε ι την χρονική ολίσθηση μεταξύ χρονομέτρων δέκτη και δορυφόρου, η οποία προστίθεται σαν επιπλέ ον άγνωστο ς στην τ ελική εξίσωση υπολογισμού. Παρακάτω, φαίνονται αίτια που μπορούν να προκαλέσουν σφάλματα σε ότι αφορά στην θέση του δέκτη,κ το μέγεθος του σφάλματος σε μέτρα. Αίτιο (Σφάλμα σ ε μέτρα) Ιονοσφαιρικη επίδραση : (+ - Sμ. ) Σφάλμα δορυφορικού ρολογιού : (+ - 2μ. ) Τροποσφαιρικη επιδραση: (+ - Ο,Sμ.) Αριθμητικά λάθη σε υπολογισμούς: ( μ.) Σφάλματα λόγω αστρονομικού ημερολογίου:(+ - 2, Sμ.) Εμπόδια (κτίρια, φαράγγια, τοίχοι κτλ):(+ - Ιμ.) Οι μετρήσ ε ις με δορυφορικό σύστημα εντοπισμού διακρίνονται σε δυο βασικές κατηγορίες, ανάλογα με το αν βασίζονται σε μετρήσεις: - ψευδοαποστάσεων - φάσεων. Ακριβέστερες από αυτ ές ε ίναι οι μετρήσεις φάσεων. Στις μετρήσ ε ις φάσεων μετράται η διαφορά φάσης του σήματος του δορυφόρου την στιγμή εκπομπής με την φάση του σήματος του δ έ κτη τη στιγμή της λήψης. Η διαφορά φάσης, σε κύκλους πολλαπλασιαζόμενη με το μήκος κύματος λ μετατρέπεται σε απόσταση. Τη στιγμή της λήψης ο δ έ κτης μετράε ι μόνο το κλασματικό μέρος της φάσης μιας και δε μπορεί να μετρήσ ε ι και τον ακέ ραιο αριθμό κύκλων που αντιστοιχεί στην απόσταση δορυφόρου-δ έκτη. Επομένω ς, οι μετρήσεις φάσης παρουσιάζουν το πρόβλημα της αβεβαιότητας στον προσδιορισμό αυτού του ακέραιου αριθμού Ν, κάτι το οποίο λύν ε ι με συγκεκριμένο αλγόριθμο ο κάθε δέκτης στην έναρξη των μετρήσεων. Σε τυχόν αδυναμία λήψη ς του σήματος χάνεται ένας αριθμό ς ακέ ραιων κύκλων μ ε συνέπ ε ια όλες οι επόμεν ες μ ετρήσ ε ις να είναι μετατοπισμένες κατά τον ίδιο αριθμό κύκλων. Το πρόβλημα αυτό (ολίσθηση κύκλων) αντιμετωπίζεται όπως και η ασάφεια των ακέ ραιων κύκλων από το δέκτη κατά την προεπ εξε ργασία. Ο συνδυασμός 13

14 μετρήσεων φάσης και κώδικα θ εωρείται ο ιδανικότ ε ρος για τον ε ντοπισμό της ολίσθησης των κύκλων. Μέθοδος προσδιορισμού θέσης Η μέθοδος RTK (Real Tίme Kinematic /Σχετικός κινηματικός προσδιορισμός) είναι κινηματικός προσδιορισμός, στην οποία χρησιμοποιούνται δύο δέκτες (base - roνer) L 1 /L2, και είναι η μοναδική που μπορεί να δώσει αποτελέσματα καθώς και πληροφορίες για την ποιότητα της λύσης σε πραγματικό χρόνο. Για τη λειτουργία της μεθόδου, απαιτείται επικοινωνία μεταξύ των δεκτών, η οποία πραγματοποιείται είτε με κάποιο μόντεμ UHF είτε με κάποιο μόντεμ GSM/GPRS. Ο κινητός δέκτης λαμβάνει συνεχώς διορθώσεις από τη βάση και τις χρησιμοποιεί για να επιλύσει εν κιvιίσει (On The Fly) τις ασάφειες φάσης. Πλέον, ο χρήστης μπορεί να αποτυπώνει σε περιοχές περιορισμένης ορατότητας σε δορυφόρους (φυσικά ή τεχνητά εμπόδια) χωρίς να χάνεται χρόνος για επανέναρξη. Η ακρίβεια της συγκεκριμένης μεθόδου είναι της τάξης του εκατοστού και ο χρόνος που χρειάζεται είναι της τάξης του 1 δευτ ε ρολέπτου. Δορυφόρος Το όλο σύστημα αποτελείται από 28 τεχνητούς δορυφόρους. Το «Global Positioning System» (GPS) είναι το μόνο πλήρως λειτουργικό σύστημα πλοήγησης στην Γη (satellite naνigation system). Ένας αστερισμός με GPS που μεταδίδουν ακριβή σήματα συγχρονισμού σε ραδιοφωνικούς ηλεκτρονικούς δέκτες GPS μας επιτρέπουν να καθορίσουμε ακριβώς μία θέση (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος, ύψος) ημέρα ή νύχτα, με οποιοδήποτε καιρό. Από τότε που το GPS έγινε πλήρως λειτουργικό το 1993, έχει γίνει εργαλείο ζωτικής σημασίας και σφαιρικής χρησιμότητας, αρκετά χρήσιμο στο αυτοκίνητο και ακόμα πιο αναγκαίο για την σύγχρονη ναυσιπλοtα. Το GPS επίσης παρέχει και ακριβής χρονικές αναφορές, που απαιτούνται για κάποιες επιστημονικές έρευνες, συμπεριλαμβανομένης και της μελέτης των σεισμών. Το σύστημα αύξησης εκτενών ζωνών (WAAS), διαθέσιμο από τον Αύγουστο του 2000, αυξάν ε ι την ακρίβεια του GPS μέσα σε 2 μέτρα για τους συμβατούς δέκτες. Με το GPS η ακρίβεια μπορεί να βελτιωθεί σε 1 εκατοστόμετρο, χρησιμοποιώντας άλλες τεχνικές όπως την διαφορική εξίσωση του GPS (DGPS). 14

15 Ο δέκτης Το στάνταρ σύστημα πλοήγησης του Lexus LS 460 L (5ης γενιάς), με οθόνη υψηλής ανάλυσης 9 ιντσών, 800χ600, touch-screen (οθόνη αφής). Ταξί στο Κυότο με aftermarket συσκευή πλοήγησης GPS. Τα δορυφορικά συστ~ίματα επιτρέπουν στις μικρές ηλεκτρονικές συσκευές να καθορίσουν θέσεις (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος και ύψος) μέσα σε μερικά μέτρα χρησιμοποιώντας τα χρονικά σήματα που μεταδίδονται με ραδιοσυχνότητες από τους δορυφόρους. Οι δέκτες στο έδαφος σε σταθερή θέση βέβαια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για επιστημονικά πειράματα που χρειάζεται ορισμός θέσεως. Για να έχουμε έναν πλοηγό στο αυτοκίνητο, αρκεί να εφοδιαστούμε με μία κατάλληλη συσκευή η οποία να έχει ενσωματωμένο GPS. Από την δεκαετία του 1990, πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων άρχισαν να τοποθετούν στην κεντρική 15

16 κονσόλα του αυτοκινήτου μ ία οθόνη, η οποία ε κτός από τις λε ιτουργίες που αφ ο ρ ούν στο αυτο κίνη το (ρ αδ ιό φ ωνο, κατ ανάλωση,υπο λογ ιστή ς ταξ ιδ ιού κτ λ. ), μπο ρ ε ί να μ ετατρ απ ε ί και σ ε πλοηγό. Για να γ ίνε ι β έ βαια αυτ ό, πρ έπ ε ι ο κατασ κευ α στής να έχε ι εφο δ ιάσε ι το όχημα με τον απαραίτητο εξοπλισμό (GPS, μο νάδα, κεραία κτλ). Το μόνο που πρέπε ι να κάνε ι ο οδηγό ς, ε ίναι να ε νσωματώσει στη συσκευή με κάποιον τρόπο τους χάρτες που τον αφορούν. Αν ο κατασκευ αστή ς δεν έχε ι εξοπλίσε ι μ ε κάτι τ έτοιο την συσκευή, ο οδηγό ς θα πρ έπε ι να ε φοδιαστε ί με μία συσκευή-πλοηγό (φορητό υπολογιστής τσέπης/ pocket pc), ένα ρολόι ή και έ να κινητό τηλέφωνο) και να το τοποθετήσε ι σε κάποιο βολικό για την παρακολούθησή του σημ ε ίο στο ε σωτ ε ρικό του αυτοκινήτου, ώστ ε να καθοδηγε ίται από αυτό. Το πλεονέ κτημα του μηχανήματο ς αυτού ε ίναι ότι με το να ε ίναι φορητό, ε κτός από το αυτοκίνητο, μπορ ε ί να χρησιμοποιηθε ί από τον κάτοχο του και αλλού, όπως σ ε ένα σκάφος, σ ε δεύτερο αυτοκίνητο, στο σπίτι (αν ε ίναι υπολογιστής) κτλ. Συνεργασία δορυφόρου - δέκτη Διάφορες μετρήσεις μπορούν να γίνουν συγχρόνω ς σε διάφορους δορυφόρους, επιτρέποντα ς με μια συνεχή αποτύπωση στον δ έ κτη και να παραχθούν στον πραγματικό χρόνο. Κάθε απόσταση μέτρηση ς, ανεξάρτητα από το σύστημα που χρησιμοποιε ίται, τοποθ ετ ε ί το δ έ κτη σε μια σφαιρική θέση σε συγκεκριμένη απόσταση από τον εκφωνητή. Με τη λήψη διάφορων τέτοιων μετρήσε ων και την έρευνα ενός σημ ε ίου όπου συναντιούνται, παράγεται μια αποτύπωση. Εντούτοις, στην περίπτωση των γρήγορων δεκτών, η θέση του σήματος κινείται όπως τα σήματα παραλαμβάνονται από διάφορου ς δορυφόρους. Επιπλέον, τα ραδιοκύματα παρουσιάζουν επιβράδυνση καθώς π ε ρνούν μέσω τη ς ιονόσφαιρας, αυτή η επιβράδυνση ποικίλλει ανάλογα με τη γωνία του δ έ κτη στο δορυφόρο, επ ε ιδή αλλάζει η απόσταση μέσω της ιονόσφαιρα ς. Ο βασικός υπολογισμό ς προσπαθε ί έτσι να βρ ε ι την πιο σύντομη κατ εύθυνση τη ς εφαπτομένης γωνίας στους 4 πόλους που τοποθετούνται σε 4 δορυφόρους. Οι δορυφορικοί δ έ κτες πλοήγησης με ιώνουν τα λάθη με τη χρησιμοποίηση των συνδυασμών σημάτων από τους πολλαπλάσιους δορυφόρους και έπειτα την χρησιμοποίηση των τεχνικών όπως το φιλτράρισμα Kalman για να πε ριοριστεί ο θόρυβο ς. 16

17 Λε ιτουργία του δέ κτη Menu νδ e ίξe ι~ συσί<gυ11 πλ ήγη ση ς GP ι ι λ υ ργία cν α) Άνοιγμα τη ς συσκευή ς - και αν ε ίναι υπολογιστ~1ς τσ έπη ς, επιλογή του προγράμματο ς πλοήγηση ς που έχουμε εφοδιαστ ε ί β) Αναμονή γ ια την λήψη σήματο ς μέσω δορυφόρου γ) Επιλογή προορισμού μ ε ε ισαγωγή οδού, ε ίτε με καθορισμό ενός σημείου στο χάρτη δ) Επιλογή του τρ όπου μετά βαση ς ( συ ντ ομότ ε ρο σε χλμ.,ή μέσω κεντ ρικώ ν ο δ όν) ε) Αναμονή για τον υπολογισμό της επιλεγμένης διαδρομής στ) Επιλογή τη ς διαδρομή ς - ε μφανίζεται στην οθόνη και καθοδηγεί τον οδηγό καθ' όλη την πορεία μέχρι τον τελικό προορισμό, δίνοντας σχηματικέ ς και φωνητικές κατ ευθύνσε ις για την πορ ε ία. Η πορ ε ία που έχε ι επιλεγε ί ε ίναι μαρκαρισμένη στο χά ρτη μ ια φο p ι;:τ ι ιcό χρω ματ ισ μό ώστ ε να μπο ρ ε ί να β λέπ ι χρ11 στη ς τη ς συσ κευή ς όλη την δ ιαδ ρ ο μή που θα δ ια νύσ ε ι. Σε όλη τη διαδρομή επίση ς μπορ ε ί να παίρνει πληροφορίες για την απόσταση και το χρόνο μέχρι τον προορισμό, την ταχύτητα με την οποία κινείται το όχημα, καθώς και το υψόμ ετρο που βρίσκ εται. 17

18 Άλλες δυνατότη τες ενό ς δέκτη Τα π ε ρισσότ ε ρα συ στήματα πλ ήγη ση ς συνδυ άζουν τη ν λε ιτουργ ικότητα με τη διασκ έδαση. Μ ε έναν τ έτοιο δέκτη, μπορ ε ί καν ε ίς να παρακολουθ ε ί ταινίε ς και βίντ εο λ t 7', να α ι τ ραγ \! ι, να. m; ν έ&τα το ια ί τυ ο, ς κα ι να παρα ολου Θ ξi ί τ η λεοπτ ι έι; ι> Ι(Πο μπ ές. Επίση ς, σημαντικό ε ίνα ι να τονιστ ε ί ότ ι ανάλογα μ ε το πρόγ ραμμα πλοήγηση ς που έχε ι επιλεγε ί για τη συσκευή, ε ίναι δυνατή η ενημέρωσή του με διάφορα πρόσθετα που προ σφ έ ροντα ι από το λογ ισμικό, που πα ρέχουν ορισμένες διευ κολύ νσ ε ις. Τέτ οια ε ίναι διάφορα σημ ε ία ενδ ιαφ έ ροντο ς ανά π ε ριοχές, επικίνδυνα σημε ία δρόμων, διάφορα καταστήματα, κέντρα διασκ έδαση ς, τράπ εζες, σταθμοί β ενζίνη ς, ξενοδοχε ία, σχο λε ία, αθλητικά κ έντρα, δημόσ ιες υπη ρ εσίες κα ι πολλά άλλα ανάλογα με το πρ γρα μμα κ:α ι ηι; υνατ τη τες τ υ. Επιλογή κατάλληλης συσκευή ς GPS συσκ ευή πλοήγηση ς Navigon, πάνω από το ταμπλό - η συνηθ έστερη aftermarket τοποθέτηση. Για να επιλέξ ει κανείς τον κατάλληλο δέκτη, αν δεν είναι εφοδιασμένο το αυτοκίνητό του ε ξ' αρχής, θα πρέπει αρχικά να έχε ι αποφασίσει τι ακριβώς θ έλει να κάνει με την συγκεκριμένη συσκ ευή εκτός από την χρήση του σαν πλοηγό (π.χ.κινητό τηλέφωνο ή υπολογ ιστή ς). Στη συνέχε ια, το κόστο ς τη ς κάθε συσκευή ς ε ίναι σημαντικός παρ άγοντας για τη ν τελ ικ11 επ ιλογ11 κ αι επηρ εάζε ι τον κάθ ε υποψήφιο αγο ραστή. Όλες οι συσκευ έ ς αυτού του είδου ς συνοδεύονται με μία βάση, η οποία τοποθετείται στο όχημα σ ε κάποιο ορατό για τον οδηγό σημείο, χωρίς όμω ς να τον εμποδίζει κατά την οδήγηση. Αυτό σημαίν ε ι ότι θα πρ έπει να έχει λάβει κάνεις υπόψη του το χώρο που του παρέχεται και το μέγεθο ς τη ς συσκευή ς. Τέλο ς, το πιο σημαντικό στο όλο σύστημα ε ίναι το λογισμικό με το οποίο θα εφο δ ιαστ ε ί η συσκ ευή. Το πρ όγ ρα μμα πλοήγηση ς θα πρ έπ ε ι να καλύπτε ι τις απαιτήσ ε ις του χρήστη σ ε ό τι αφορά στην χρήση του, να ε ίναι ε φοδιασμένο μ ε του ς κατάλληλους, ενημερωμ ένου ς χάρτες, καθώς και να υποστηρίζεται με αναβαθμίσ ε ις (συνήθω ς μέσω Διαδικτύου) για να μπορ ε ί πάντα να δίνει σωστές πληροφορίες. Επίσης, στις αναβαθμίσ ε ις συμπεριλαμβάνονται και όσες αφορούν στα πρόσθετα που ίσω ς έχουν τοποθ ετηθεί στο δέκτη, γιατί και αυτά χρειάζονται συχνή ενημέ ρωση. 18

19 1.2 Επεξήγησι1 πτυχιακή ς ε ργασίας & των λε ιτουργιών τη ς Ο σ κοπός τη ς πτυχιακή ς εργασία ς ε ίναι η εν ε ργοπο ίηση ενό ς συ στήματο ς εντοπισμού(gρs) κατά βού ληση όταν το επιθυμήσε ι ο χειριστή ς. Το σύστημα θα αποστ έλλε ι στον χε ιριστή πλη ρο φ ορί ες γ ια το που β ρίσκ ετ ε το όχη μα, έπε ιτα ο χε ιρ ιστή ς Θα έχε ι τη δυνατότη τα να δε ι τη ν ακρ ιβή τοποθ εσία του οχήματο ς μέ σω GPS. Αυτό θα επιτ ευχθ ε ί χρησιμοποιώντας ένα GPS-GPRS-GSM modem (πιο συγκεκριμένα το GM862 της Telit) σ ε επικοινωνία μ ε έναν μικροεπ εξεργαστή. Τα δύο θα αλλη λεπιδρούν μεταξύ τους με την εξή ς μορφή, στην περίπτωση εν ε ργοπο ίηση ς του συστήματο ς κατά απαίτηση του χρηστή, το gm862 Θα λαμβάνε ι συγκεκριμένε ς εντολές από το χρηστή μέσω του GSM modem που διαθέτ ε ι με τη μορφή μηνυμάτων, αυτές θα προωθούνται και θα επ εξεργάζονται από τον μικρο επεξε ργ αστή ο όποιο ς Θα στέλν ε ι τις ανάλογ ε ς εντολές στο GM862, ώστ ε να γ ίνου ν ο ι ανάλογες ενέργε ιες γ ια τον ε ντοπ ισμού του οχήματο ς. Η ακριβή τοποθεσία του οχήματο ς Θα μπορ ε ί να φαν ε ί μέσω του link που Θα αποστέλλεται με SMS στον χρήστη αφού έχουμε στ ε ίλε ι την κατάλληλη εντο λή. Έπειτα ο χρήστης θα μπορεί να προβάλε ι αυτό το link ε ίτ ε μέσω του κινητού του έιτε μ έσω οποιουδήποτε υπολογιστή που έχε ι πρόσβαση στο internet. 19

20 ΚΕΦΑΛΑΙ02 ΚΑΤΑΣΚΕΥΉ 2.1 Arduino UNO Rev Ιστορία Το 2005 στην lνrea της Ιταλίας κατασκευάζεται μία συσκευή η οποία θα είχε την δυνατότητα να ελiγχει και να αλληλεπιδρά σύμφωνα με το περιβάλλον. Σκοπός των κατασκευαστών ήταν αυτή η συσκ ευή να κοστίζει λιγότερο σε σχέση με άλλες παρόμοιων δυνατοτήτων. Η ομάδα αποτελούνταν από τους Massimo Banzi, Daνid Cuartielles, Tom lgoe, David Mellis και Gianluca Martino. Το όνομα της συσκευής έχει τις ρίζες του από τον Αrdιιίη of Ivrea, έναν βασιλιά της Ιταλίας του ενάτου αιώνα όπου κατοικούσε στην ίδια πόλη. Η συσκευή ονομάστηκε ' Άrduino" που αντιστοιχούσ ε σ ε ένα ιταλικό ανδρικό όνομα και σήμαινε " ισχυρός φίλος ". Το Arduino αναπτύχθηκε σύμφωνα με την πλατφόρμα Wiring, μία πτυχιακή εργασία του Hernando Barragan από το lnteraction Design Institute Iνrea. Είχε ως στόχο να είναι μία ηλεκτρονική εκδοχή της Processing που θα χρησιμοποιούσε ένα περιβάλλον προγραμματισμού δικό της αλλά θα έμοιαζε σχεδιαστικά και συντακτικά με αυτό της Processing. Όχι πολύ καιρό πριν, αυτοί που εργάζονταν πάνω στον τομέα του hardware σήμαινε ότι κατασκεύαζαν κυκλώματα από το μηδέν, χρησιμοποιώντας ε κατοντάδες διαφορετικέ ς ηλεκτρονικές διατάξεις όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία, τρανζίστορ, και πολλά άλλα. Τα κύκλωμα αυτά ήταν ενσύρματα με σκοπό να πραγματοποιήσουν συγκεκριμένες εργασίες. Όταν απαιτούνταν αλλαγές στις εργασίες τους, τότε έπρεπε να γίνουν και κάποιες χρονοβόρες αλλαγές στον σχεδιασμό των κυκλωμάτων, όπως αποσυγκολλήσεις και συγκολλήσεις των απαιτούμενων διατάξεων, αποσυνδέσεις και συνδέσεις καλωδίων κ.α.. Με την εμφάνιση της ψηφιακής τεχνολογίας και των μικροεπεξεργαστών, αυτές οι λειτουργίες οι οποίες πρώτα έπρεπε να γίνουν με καλώδια και διατάξεις τώρα αντικαταστάθηκαν από τα λογισμικά προγράμματα. Το λογισμικό είναι πιο εύκολο να τροποποιηθεί από ότι το hardware. Με μερικά πατήματα πλήκτρων, μπορεί να αλλάξει ριζικά η λογική μίας συσκευής και να δημιουργηθούν επιπλέον ακόμη δύο ή τρεις δοκιμαστικές εκδόσεις. Η διαδικασία αυτή θα απαιτούσε το ίδιο χρονικό διάστημα όσο και ο χρόνος που απαιτείται για να κολληθεί ένα ζεύγος αντιστάσεων. Όπως ε ίναι φυσικό μαζί με τον χρόνο μειώθηκε και το κόστος για τις τροποποιήσεις καθώς και για τις δοκιμαστικές εκδόσεις. Όπως το περιγράφει ο δημιουργός του, το Arduino είναι μία open-source (ανοικτού κώδικα) πλατφόρμα «πρωτοτυποποίησης» ηλεκτρονικών κυκλωμάτων βασισμένη σε ευέλικτο και εύκολο στη χρήση hardware και software που προορίζεται για οποιονδήποτε έχει λίγη προγραμματιστική εμπειρία, στοιχειώδεις γνώσεις ηλεκτρονικών και ενδιαφέρεται να δημιουργήσει διαδραστικά αντικείμενα ή περιβάλλοντα. Το Arduino αποτελείται από δύο κύρια μέρη, την πλακέτα Arduino το οποίο είναι το κομμάτι του hardware πάνω στο οποίο εργάζεται ο κατασκευαστής όταν πραγματοποιεί μία κατασκευή ενώ το δεύτερο τμήμα είναι το περιβάλλον Arduino JDE, το κομμάτι του λογισμικού που τρέχει στον υπολογιστή. Το IDE 20

21 χρησιμοποιείται για να δημιουργη θεί ένα sketch (ένα μικρό πρόγραμμα στον υπολογιστή) που φορτώνεται στον μικροελεγκτή τη ς πλακέτας Arduino. Έτσι το sketch λέε ι στην πλακ έτα Arduino τι πρ έπ ε ι να κάνε ι. Γιατί να επιλέξω τον Arduino; Υπάρχε ι πληθώρα άλλων μικρ οελεγκτών και αναπτυξιακών στο ε μπόριο για να ασχοληθεί κάποιος ε κεί έξω. Ο Basic Stamρ τη ς Parallax, ο ΒΧ-24 της Netmedia, το Handyboard του ΜΙΤ και πολύ άλλη όμοιας λειτουργικότητας. Όλα αυτά τα εργαλεία που προαναφέραμε είναι απλά και για τον αρχάριο χρήστη καθώς "κρύβουν" τις δύσκολες λεπτο μέρε ιες της αρχιτεκτονικής και επιτρ έπουν τον άμεσο προγραμματισμό του μικρο ελεγκτή, προσφέροντας τα πάντα σ ε έ να κα ι μόνο "πακέτο" έτοιμο για χρήση. Ο Arduino διαφέρει από τους προηγούμενους γιατί απλοποιηεί την διαδικασία να δουλεύει κάποιος με μικρο ελεγκτές, αλλά κάποια πλεκονεκτήματα που προσφ έ ρ ε ι σε σχέση με άλλους μικροελεγκτέ ς για χρήση από δασκάλους, μαθητές και άλλους hοbbίστες ε ίναι τα παρακάτω: Φθηνός - Οι πλακέτες του Arduino είναι εξαιρετικά φθηνές σε σχέση με άλλες πλατφόρμες μικροελεγκτών. Ειδικά δε μπορ ε ί με τα σχηματικά που κυκλοφορούν στο Internet να κατασκευάσει κάποιος την φθηνότερη ε κδοχή ενός Arduino. Ωστόσο ακόμα και αν προμηθευτεί την έτοιμη (μονταρισμένη πλακέτα) αυτή θα κοστίσει το μέγιστο 50 Euro. Τρέχει σε διάφορα Λ ε ιτουργικά Συστήματα. Οι μηχανικοί λογισμικού, ανέπτυξαν το περιβάλλον προγραμματισμού του Ardιιino για Windows, Machinstoh OSX και για λειτουργικά συστήματα Linux. Τα περισσότερα συστήματα ανάπτυξης Μικροελεγκτών περιορίζονται στα Windows. Απλό, ξε κάθαρο προγραμματιστικό περιβάλλον. Το πε ριβάλλον προγραμματισμού ενός Arduino ενδείκνειται για αρχάριους, αλλά είναι ταυτόχρονα και ευέλικτο και για πιο προχωρημένους χρήστες. Ανοιχτού λογισμικού και λογισμικού που επεκτείνεται και παραμετροποιείται. Το software του Ardιιino διανέμεται με την μορφή εργαλείων ανοιχτού λογισμικού και είναι διαθέσιμο προς επέκταση για έμπειρους προγραμματιστ ές. Η γλώσσα προγραμματισμού του μπορ ε ί να επεκταθεί διαμέσου των βιβλιοθηκών την C++ και οι άνθρωποι που θέλουν να ασχοληθούν περισσότερο με τους μικροελεγκτές μπορούν να μεταβούν από τον Arduino στην Α VR C που είναι για προγραμματισμό των Atmel Μικροελεγκτών και η γλώσσα στην οποία βασίστικε το λογισμικό του Arduino. Ομοίος μπορεί κάποιος να προσθέσει κώδικα της Α VR-C στο πρόγραμμα που έχει γράψει για τον Arduino του. Ανοιχτού Υλικού το οποίο μπορεί να επεκταθεί. Ο Arduino βασίζεται στους μικροελεγκτές της Atmel Α TMEGA8 και Α TMEGA 168. Τα σχηματικά για τα αναπτυξιακά είναι κάτω από την άδεια της Creatiνe Commons, επιτρέποντας σ ε έ μπειρους σχεδιαστές να κατασκευάσουν το δικό τους αναπτυξιακό, εξελίσοντας το ήδη υπάρχον χωρίς να έχουν νομικά προβλήματα. Η ακόμη καλύτε ρα οχι τόσο έμπειροι χρήστες μπορούν να επιδιώξουν την αντιγραφή και κατασκευή τη ς πλακέτας σ ε ράστερ για να καταλάβουν την λειτουργία ενός Arduino. 21

22 2.1.2 Η πλακέτα Arduino Η πλακέτα Arduino είναι ένα μικρό κύκλωμα που περιέχει ένα ολοκληρωμένο σύστημα υπολογιστή χρησιμοποιώντας ένα μικρό chip (ολοκληρωμένο κύκλωμα) που είναι ο μικροελεγκτής. Αυτός ο υπολογιστής είναι τουλάχιστον χίλιες φορές λιγότερο ισχυρός από ένα MacBook, αλλά είναι πολύ φθηνότερος και πολύ χρήσιμος για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών. Μάλιστα κάποιος θα μπορούσε να ισχυριστεί ότι λειτουργικά το Arduino μοιάζει πολύ με το ΝΧΤ Brick των Lego Mindstorms ΝΧΤ. Άλλωστε η ρομποτική είναι μία από τις πολλές κατηγορίες στις οποίες το Arduino διαπρέπει. Η ομάδα του Arduino έχει τοποθετήσει σε αυτήν την πλακέτα όλα τα απαραίτητα στοιχεία που απαιτούνται για τον μικροελεγκτή ώστε να μπορεί να λειτουργεί σωστά και να μπορεί να επικοινωνεί με τον υπολογιστή και άλλες σειριακές συσκευές. Εικόνα και : Μπροστινή και πίσω όψη της πλακi:τας Arcluinυ. Ειδικότερα μία πλακέτα Αrdιιίηο αποτελείται από ένα μικροελεγκτή Atmel Α YR (Α Tmega328 και Α Tmega Ι 68 στις νεότερες εκδόσεις, Α Tmega8 στις παλαιότερες) και συμπληρωματικά εξαρτήματα για την διευκόλυνση του χρήστη στον προγραμματισμό και την ενσωμάτωση του σε άλλα κυκλώματα. Όλες οι πλακέτες περιλαμβάνουν ένα γραμμικό ρυθμιστή τάσης 5Υ και έναν κρυσταλλικό ταλαντωτή 16MHz (ή κεραμικό αντηχητή σε κάποιες παραλλαγές). Ο μικροελεγκτής είναι από κατασκευής προγραμματισμένος με ένα bootloader, έτσι ώστε να μην χρειάζεται εξωτερικός προγραμματιστής. Γενικά όλες οι πλακέτες είναι προγραμματισμένες μέσω μιας σειριακής σύνδεσης RS-232, αλλά ο τρόπος με τον οποίο αυτό υλοποιείται ποικίλλει ανάλογα με την έκδοση. Οι σειριακές πλακέτες Arduino περιέχουν ένα απλό κύκλωμα αντιστροφής για την μετατροπή ανάμεσα στα σήματα των επιπέδων RS-232 και TTL. Οι πλακέτες Ardιιino που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά, συμπεριλαμβανόμενης και της Uno, προγραμματίζονται μέσω USB, εφαρμόζοντας ένα chip προσαρμογέα USB-to-Serial όπως το FTDI FT Είσοδοι - Έξοδοι Καταρχήν το Arduino διαθέτει σειριακό interface. Ο μικροελεγκτής Α Tmega (εικόνα )υποστηρίζει σειριακή επικοινωνία, την οποία το Arduino προωθεί μέσα από έναν ελεγκτή Serial-oνer-USB ώστε να συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω 22

23 ' USB. Η σύνδεση αυτή χρησιμοπο ιείτα ι γ ια την μεταφορά τ ων προγρ αμμάτων που σχεδ ιάζονται από τον υπολογιστή στο Arduino αλλά και για αμφίδ ρομη επικοινωνία τ ου Arduίno με τον υπολογ ιστή μέ σα από το πρόγραμμα την ώρα που εκτελε ίται. pin ψηφιακής ε ισόδου Ο 7 ι ρίn ψηφια κ ής ι ισόδοu/ιξόδου ρίn αναλογικής ι ισόδοu O S Θ\ιραUSΒ Ρυθμιστής ~-----' τάσης,. Εξωτιρική pin τροφοδοσίας (Reset, 3. 3V, sν. GND, ΊfιΝ) τροφοδοσία Εικόνα : Τα στοιχε ία που απαρτίζουν την πλακέτα Arduino. Επιπλέ ον, στην πάνω πλευρά του Arduίno βρίσκονται 14 θηλυκά ρίη, αριθμημένα από το Ο έω ς το 13, που μπορούν να λειτουργήσουν ως ψηφιακέ ς ε ίσοδοι και έ ξοδοι. Λ ε ιτουργούν στα 5Υ και καθένα μπορ ε ί να παρ έχε ι ή να δ εχτ ε ί το πολύ 40mA. Ω ς ψηφιακή έξοδο ς, ένα από αυτά τα ρίη μπορεί να τε θεί από το πρόγραμμά σε κατάσταση HIGH ή LOW, οπότε το Arduino θα ξέρει αν πρέπει να διοχετεύσει ή όχι ρεύμα στο συγκεκριμένο ρίη. Με αυτόν τον τρόπο είναι εφικτό να ανάψει και να σβήσ ε ι ένα LED που ε ίναι συνδεμένο στο συγκε κριμένο ρίη. Αν πάλι ένα από αυτά τα ρίη έχε ι ρυθμιστή ως ψηφιακή ε ίσοδος μέσα από το πρόγραμμά, μπορ ε ί με την κατάλληλη εντολή να διαβαστ ε ί η κατάστασή του (HIGH ή LOW) ανάλογα με το αν η εξωτερική συσκ ευή που έχε ι συνδεθεί σ ε αυτό το ρίη διοχετεύ ε ι ή όχι ρ εύμα στο ρίη. Εικόνα : Μικροελεγκτής ATMEGA328P-PU Μ ε ρικά από αυτά τ α 14 ρίη, εκτό ς από ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι έχουν και δεύτερη λε ιτουργία. Συγκεκριμένα : 23

24 ' σ μ αι Tq pin 2 ιςq ι 3 λε ιτουργούν κqi ω εξωτερ ικά interrupt interrupt Ο κα ι 1 αντίστοιχα). Με άλ όγια, μπορο~v να ρ G μιστο~v μ~ σα απ6 το πρόγραμμά Τα pίη 3, 5, 6, 9, 1 Ο και 1 J μπορούν να λε ιτουργήσουν κα ι ω ς ψ ευ δ ο αναλογικές έ ξο δ ο ι μ ε το σύστημα PWM (Pulse Width Modulation δηλα δή το ίδ ιο σύστημα που δ ιαθέτουν οι μητρικές των υπολογ ιστών για να ελέγχ υν τι ς ταχ ' Ίη Ί ς των αν μ ιστή ρων. ' τσ ι, αν συνδ ε θ ί λόγ υ χάρη 'να L - κά1~οιο ι;ι.π α τά τα ρ ί η, μπ ρ - (να λ γχθ '{ πλ11ρω ς η φ ο:ιτε ιν -τητά του με ανάλυ ση 8bit (256 καταστάσε ις από Ο -σβηστό ως πλήρως αναμμέ νο) αντί να υπάρχε ι απλά η δυνατότητα να ε ίναι απλά αναμμέ νο ή σβηστό π ου παρέχουν οι υπό λοιπές ψη φιακέ ς έξοδοι. Το PWM παίρνει ένα εύρο ς τιμών από το Ο έως το 255. Μ ε λίγα λόγια το PWM δ εν ε ίναι πραγματικά αναλογικό σύστημα, έτσι θ έτοντας στην έξοδο την τιμή 127, δ εν σημαίνει ότι η έξο δος θα παρ έχε ι 2.5V αντ ί της κανονικ11ς τιμή ς των SV, αλλά ότ ι θα δ ίν ε ι έναν παλμό που η τάση του θα εναλλάσσ εται με μεγάλη υχνότη τα κα ι γ ια ίσα χρ ν ι. ι<:ά δ ιαστήματα μ εταξv των τ ιμώ ν Ο Υ κ:α ι - V μ ι;; σκοπό η μέση τ ιμή να ισούται με 2,5V. Στην κάτω πλευρά του Arduino, με τη σήμανση ANALOG ΙΝ, υπάρχε ι μια ακόμη σε ιρά από 6 pin, αριθμημένα από το Ο έ ως το 5. Το καθ έ να από αυτά λειτουργεί ως αναλογική ε ίσοδος κάνοντας χρήση του ADC (Analog to Digital Conνerter) που ε ίναι ενσωματωμένο στον μικρο ε λεγκτή. Για παράδ ε ιγμα, αν τροφοδοτηθεί ένα από αυτά τα ρίη με μία τάση η οποία μπορεί να κυ μανθ ε ί με έ να π οτενσιό μετρο από OV ω ς μία τάση ανα φ ο ρ άς Vref (η οποία αν δ εν γ ίνε ι κάποια αλλαγή ε ίνα ι πρ ο ρυθμισμ ένη στα 5 Υ), τότε μέ σα από το πρόγραμμα μπορεί να «διαβαστε ί» η τιμή της θύρας ως ένας ακέραιος αριθμός χωρητ ικότη τας 10-bit, από το Ο (όταν η τάση στο pin είναι ΟΥ) μέχρι το 1023 (όταν η τάση στο ρίη είναι 5Υ). Η τάση αναφοράς μπορεί να ρυθμιστε ί με μία εντολή όπως για παράδειγμα στα 1. 1 V. Ένας άλλος τρόπος όπου η τάση αναφοράς μπορεί να δηλωθεί από τον προγραμματιστή είναι τροφοδοτώντας με μία εξωτερική τάση αναφοράς τη θύρα με την σήμανση AREF που βρ ίσ κετα ι στην απέ να ντι πλευ ρά τη ς πλακέτ α ς. Έτσι, α ν τροφο δ οτη θε ί η θύρα AREF με 3. 3 Υ και στην συνέχε ια ε κτελε στή η εντολή να διαβαστεί κάποιο pin αναλογικής εισόδου στο οποίο εφαρμόζετε τάση 1.65V, το Arduino θα επιστρέψ ε ι την τιμή 512. Τέλο ς, καθ έ να από τα 6 αυτά pin, με κατάλλη λη εντολή μέσα από το πρόγραμμα μπορεί να μετατραπ εί σε ψη φιακό pin εισόδου/εξόδου όπως τα 14 που βρίσκονται στην απέναντι πλευρά και τα οποία περιγράφηκαν πριν. Σε αυτή την περίπτωση τα pin μετονομάζονται από 0-5 σε αντίστοιχα. 24

25 2.1.4 Τροφοδοσία Το Arduino μπορεί να τροφοδοτηθεί με ρεύμα ε ίτε από τον υπολογιστή μέσω της σύνδεσης USB, είτε από εξωτε ρική τροφοδοσία που παρέχεται μέσω μιας υποδοχής φις των 2. 1 mm (θετικός πόλος στο κέντρο) και βρίσκεται στην κάτω-αριστερή γωνία του Arduino. Εικόνα και : Τροφοδοσία με DC προσαρμογέα ή με αλκαλική μπαταρία Για να μην υπάρχουν προβλήματα, η εξωτερική τροφοδοσία πρέπει να είναι από 7 ως 12Υ και μπορεί να προέρχεται από ένα κοινό μετασχηματιστή του εμπορίου, από μπαταρίες ή οποιαδήποτε άλλη πηγή DC. Δίπλα από τα pin αναλογικής εισόδου, υπάρχει μια ακόμα συστοιχία από 6 pin με την σήμανση POWER. Η λειτουργία του καθενός έχει ως εξής: Το πρώτο, με την ένδειξη RESET, όταν γειωθεί (σε οποιοδήποτε από τα 3 pin με την ένδειξη GND που υπάρχουν στο Arduino) έχει ως αποτέλεσμα την επανεκκίνηση του Arduino. Το δεύτερο, με την ένδειξη 3.3Υ, μπορεί να τροφοδοτήσει διατάξεις, συσκευές ή αισθητήρες με τάση 3.3Υ. Η τάση αυτή δεν προέρχεται από την εξωτερική τροφοδοσία αλλά παράγεται από τον ελεγκτή Serial-oνer-USB και έτσι η μέγιστη ένταση που μπορεί να παρέχει είναι μόλις 50mA. Το τρίτο, με την ένδειξη 5Υ, μπορεί να τροφοδοτήσει και αυτό διάφορες διατάξεις, συσκευές ή αισθητήρες με τάση 5Υ. Ανάλογα με τον τρόπο τροφοδοσίας του ίδιου του Arduino, η τάση αυτή προέρχεται είτε άμεσα από την θύρα USB (που ούτως ή άλλως λειτουργεί στα 5Υ), είτε από την εξωτερική τροφοδοσία αφού αυτή περάσει από ένα ρυθμιστή τάσης για να την «κατεβάσει» στα 5Υ. Το τέταρτο και το πέμπτο pίn, με την ένδειξη GND, είναι γειώσεις. Το έκτο και τελευταίο pίn, με την ένδειξη Υίn έχει διπλό ρόλο. Σε συνδυασμό με το pin γείωσης δίπλα του, μπορεί να λειτουργήσει ως μέθοδος εξωτερικής τροφοδοσίας του Arduino, στην περίπτωση που δεν βολεύει να χρησιμοποιηθεί η υποδοχή του φις των 2.1 mm. Αν όμως υπάρχει ήδη συνδεδεμένη εξωτερική τροφοδοσία μέσω του φις, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτό το pin για να τροφοδοτήσει εξαρτήματα και συσκευές με 25

26 την πλήρη τάση της εξωτερική ς τροφοδοσίας (7~ Ι 2Υ), πριν αυτή περάσε ι από τον ρυθμιστή τάσης όπως γίνεται με το pin των SV Ενσωματωμένα κουμπιά και LED Πάνω στην πλακέτα του Arduino υπάρχει ένας διακόπτης micro-switch και τέσσερα μικροσκοπικά LED επιφανειακής στήριξης. Η λειτουργία του διακόπτη (που έχει την σήμανση RESET) και του ενός LED με την σήμανση POWER είναι μάλλον προφανής. Τα δύο LED με τις σημάνσεις ΤΧ και RX, χρησιμοποιούνται ως ένδειξη λειτουργίας του σειριακού interface, καθώς ανάβουν όταν το Αrdιιίι10 στέλνει ή λαμβάνει αντίστοιχα δ εδομέ να μέσω USB. Τα LED αυτά ελέγχονται από τον ελεγκτή Serial-oνer-USB και συν επώς δεν λειτουργούν όταν η σειριακή επικοινωνία γίνεται αποκλειστικά μέσω των ψηφιακών pin Ο και 1. Τέλος, υπάρχει το LED με την σήμανση L. Η βασική λειτουργία του LED στην πλακέτα Arduino είναι για να αναβοσβήνει συνήθως για δοκιμαστικό σκοπό. Οι κατασκευαστές του σκέφτηκαν να ενσωματώσουν ένα LED στην πλακέτα, το οποίο σύνδεσαν στο ψηφιακό pin 13. Έτσι, ακόμα και αν δεν έχει συνδέσει τίποτα πάνω στο φυσικό pin 13, αναθέτοντάς του την τιμή HIGH μέσα από το πρόγραμμά, το ενσωματωμένο LED. θα ανάψει Το περιβάλλον Arduino IDE (integrated deνelopment environment) Το Arduino 1DE είναι ένα πρόγραμμα βασισμένο σε Jaνa και συγκεκριμένα παρέχει: ένα πρακτικό περιβάλλον για την συγγραφή των προγραμμάτων σας (τα οποία ονομάζονται sketch στην ορολογία του Arduino) με συντακτική χρωματική σήμανση, αρκετά έτοιμα παραδ ε ίγματα, μερικές έτοιμες βιβλιοθ1ίκε ς για προ έκταση της γλώσσας και για να χε ιρίζεστε εύκολα μέσα από τον κώδικά σας τα εξαρτήματα που συνδέετε στο Arduino, τον compiler για την μεταγλώττιση των sketch σας, ένα serial monitor που παρακολουθεί τις επικοινωνίες της σειριακής (USB), αναλαμβάνει να στείλει αλφαριθμητικά της επιλογής σας στο Αrdιιίηο μέσω αυτής και είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για το debugging των sketch σας και την επιλογή να ανεβάσετε το μεταγλωττισμέ νο sketch στο Arduino. Το Arduino IDE είναι αρκετά απλούστερο σε αντίθεση με άλλα περιβάλλοντα ανάπτυξης λογισμικού όπως το Eclipse, το Xcode και το Yisual Studio. Κυρίως αποτελείται από έναν editor (κειμενογράφο), έναν compiler, ένα loader και ένα serial monitor. Δεν περιέχει προχωρημένες λειτουργίες όπως debugging ή code completion, δίνει μόνο τη δυνατότητα για με ρικές ρυθμίσεις στα «preferences». ' , ~.i. ~η," ~ω..ι Εικόνα : Περιβάλλον Arduino IDE 26